Theo hiểu biết hiện tại, con người chúng ta chỉ có thể trải nghiệm thế giới này theo ba chiều không gian (3D) và một chiều thời gian. Nhưng đầu năm 2018, các nhà khoa học tại 2 phòng thí nghiệm vật lý độc lập đã đồng thời xác nhận sự tồn tại của chiều không gian thứ 4.

2 nhóm các nhà vật lý đã tiến hành thí nghiệm trên hai hệ thống 2D đặc biệt, một với các nguyên tử được làm siêu lạnh và một với các hạt ánh sáng. Cả 2 thí nghiệm cho ra 2 kết quả tưởng chừng khác nhau nhưng lại bổ trợ cho nhau về việc xuất hiện “hiệu ứng lượng tử Hall” trong không gian 4D.

2 thí nghiệm này có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học cơ bản, hoặc thậm chí cho phép các kỹ sư tiếp cận với vật lý học đối với các chiều không gian cao hơn từ thế giới 3D của chúng ta hiện nay. Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Nature danh tiếng ngày 3/1/2018.

Hiệu ứng Hall cổ điển và hiệu ứng Hall lượng tử là gì?

Hiệu ứng Hall cổ điển là một hiệu ứng vật lý trong đó người ta áp dụng từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879.

Hiệu ứng Hall cổ điển (ảnh: Youtube)

Hiệu ứng Hall lượng tử (Quantum Hall Effect – QHE) từng là đề tài của một số giải Nobel (giải Nobel vật lý năm 1985 với hiệu ứng Hall lượng tử số nguyên – Integer Quantum Hall Effect, giải Nobel vật lý năm 1998 với hiệu ứng Hall lượng tử phân số – Fractional Quantum Hall Effect).

Hiệu ứng Hall lượng tử xảy ra ở những lớp dẫn điện rất mỏng về cơ bản có bản chất 2D. Khi những vật liệu 2D (ví dụ các tấm graphene) được làm lạnh xuống gần không độ tuyệt đối và chịu một từ trường mạnh, sự dẫn điện của nó bị lượng tử hóa và chỉ có thể biến thiên theo những bước rời rạc. Hiệu ứng Hall lượng tử là một tính chất chung của các chất dẫn điện 2D và có thể nhìn thấy ở nhiều vật liệu đa dạng – thậm chí khi các mẩu chất bị mất trật tự.

Độ dẫn điện Hall (độ dẫn đo thẳng góc với dòng điện-transverse conductivity) bị gián đoạn lượng tử hoá theo đơn vị e2/h (màu đỏ). Đường sóng phía dưới là độ trở dọc (longitudinal resistivity) (màu xanh). (ảnh: NobelPrize.Org/tiasang.com.vn)

>> Tìm ra vật liệu graphene 3D mới cứng hơn thép 10 lần (video)

Hiệu ứng Hall lượng tử xảy ra với không gian bốn chiều

Trong khi hiệu ứng Hall lượng tử không xảy ra ở các vật liệu 3D, thì vào năm 2001, hai nhà vật lý Shou-Cheng Zhang, Jiangping Hu tại Đại học Standford, Hoa Kỳ và Đại học Thanh Hoa, Bắc Kinh, Trung Quốc đã dự đoán hiệu ứng này có thể xảy ra trong các hệ 4D. Nhưng hiện nay, con người cũng như các thiết bị khoa học và kỹ thuật của con người mới chỉ xác định được không gian ba chiều, nên ý tưởng của hai nhà khoa học này vẫn chỉ là lý thuyết… mãi cho đến bây giờ.

Giáo sư Mikael Rechtsman tại Đại học quốc gia Pennsylvania, Hoa Kỳ và các đồng sự đã xây dựng hệ hiệu ứng Hall lượng tử 4D từ một ma trận 2D của các bộ dẫn sóng quang học. Bộ dẫn sóng là những ống không gian kín được khắc qua một miếng thủy tinh bằng một laser mạnh (xem hình dưới). Bằng cách thận trọng bố trí các bộ dẫn sóng thành ma trận, nhóm đã tạo ra “các chiều tổng hợp” bổ sung giả lập một vật liệu 4D.

Trong hệ của họ, ánh sáng giữ vai trò của dòng điện và nhóm các nhà khoa học đã chứng minh được rằng sự truyền ánh sáng qua mạng giống hệt như trong một hệ hiệu ứng Hall lượng tử 4D.

Ma trận các ống dẫn sóng quang học mô phỏng hiệu ứng lượng tử Hall 4D (ảnh: physicsworld.com)

Trong khi đó, tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Munich, Đức, Giáo sư Immanuel Bloch và các đồng sự tạo ra các chiều tổng hợp giống như vậy bằng cách sử dụng một ma trận 2D của các nguyên tử cực lạnh bị bẫy bằng các chùm laser giao nhau. Nhóm của Bloch bắt đầu với một ma trận vuông đồng đều của các nguyên tử. Sau đó họ bật các chùm laser bổ sung trong mặt phẳng ma trận, chúng nằm lệch ngoài trục đối xứng của ma trận. Cách này tạo ra một siêu mạng phức tạp trong đó các nguyên tử chuyển động như được mô tả bởi hiệu ứng Hall lượng tử 4 chiều.

Mô phỏng hệ thống thí nghiệm của Immanuel Bloch về hiệu ứng lượng tử Hall 4D (ảnh: physicsworld.com)

Đối với vật lý [hiện tại], chúng ta không có hệ thống không gian 4D, nhưng chúng ta có thể tiếp cập với các vấn đề vật lý về hiệu ứng lượng tử Hall 4D thông qua hệ thống ít chiều không gian hơn vì hệ thống nhiều chiều không gian hơn bị mã hóa trong các kiến trúc phức tạp”, Giáo sư Mikael Rechtsman, Đại học Pensnavenia, tác giả của một trong 2 báo cáo trả lời phỏng vấn cho hay.

Tôi nghĩ rằng hai thí nghiệm đẹp đẽ này bổ sung cho nhau,” Michael Lohse từ Đại học Ludwig-Maximilians, Đức nói về phát hiện mới này. Theo nghĩa đơn giản nhất, nhóm thứ hai của các nhà khoa học đang xem xét hiệu ứng 4D trên bề mặt lớn của một hệ thống vật lý, trong khi nhóm đầu tiên đang xem xét các hiệu ứng trên các cạnh của cùng một hệ thống.

Về ý nghĩa của nghiên cứu này, Lohse hy vọng hệ thống của ông thậm chí có thể hỗ trợ việc nghiên cứu các vấn đề vật lý rộng hơn nữa, chẳng hạn như lực hấp dẫn lượng tử và bán kim loại Weyl. Trong khi đó, Rechtsman nghĩ rằng hệ thống của ông có thể giúp tạo ra các thiết bị quang tử khác tận dụng lợi thế của nhiều chiều không gian hơn, hoặc có thể các nhà khoa học khác sẽ tìm thấy các hiệu ứng tương tự trong loại vật liệu khác:

“Chúng ta có thể tiến đến lý thuyết vật lý mới trong các chiều không gian cao hơn và sau đó thiết kế các thiết bị tận dụng lợi thế vật lý của chiều không gian cao hơn trong các chiều không gian thấp hơn.” Rechtsman nói. “Có một câu hỏi khác về việc liệu các vật liệu rắn với các phần tử đơn vị phức tạp thật sự có các chiều không gian ẩn giấu này hay không, và liệu lý thuyết vật lý [hiện nay] của chúng ta có thể được lý giải trong lý thuyết vật lý có chiều không gian cao hơn, điều trước đây không thể tiếp cận được. Liệu điều này có thể cho chúng ta hiểu biết mới về các pha của vật chất với các thù hình mới?”

Thiện Tâm tổng hợp

>> Năng lượng từ trái tim: Trường điện từ kết nối cảm xúc và con người